(57)【要約】【課題】冷却能力を向上させると共に、冷却水用流路の長さ、冷却板との接触面積を増やすことを容易にかつ安価に行うことができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】筐体内に収納され半導体素子を含むパワーモジュールと、パワーモジュールを搭載し、内部に直線状の冷却水用流路と曲線状の冷却水用流路を有する水冷式ヒートシンク１１と、水冷式ヒートシンク１１の冷却水用流路に配管されて外部から冷却水を流通する配管ターミナルと、を備えたモータ制御装置において、パワーモジュールからの熱が伝わる伝熱面１２ａを有する冷却板１２と、冷却板の伝熱面１２ｂと密着するように接合されると共に、内部を冷却水用流路１４が連通して形成されるように刳り抜き、伝熱面１２ｂと対向して冷却水用流路１４の一部を開口してなる開口面１３ａを有するヒートシンクベース本体１３と、より構成されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体内に収納され半導体素子を含むパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを搭載し、内部に直線状または曲線状の冷却水用流路を有する水冷式ヒートシンクと、
前記筐体に配管されて前記水冷式ヒートシンクの冷却水用流路に外部から冷却水を流通するための配管ターミナルと、
を備え、前記パワーモジュールの発生熱を前記ヒートシンクへ伝熱した後に前記冷却水により熱交換するようにしたモータ制御装置において、
前記水冷式ヒートシンクは、
前記パワーモジュールからの熱が伝わる第１の伝熱面を有する冷却板と、
前記冷却板の第２の伝熱面と密着するように接合されると共に、内部を前記冷却水用流路が連通して形成されるように刳り抜き、前記第２の伝熱面と対向して前記冷却水用流路の一部を開口してなる開口面を有するヒートシンクベース本体と、
より構成されていることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記冷却板の第２の伝熱面と前記ヒートシンクベース本体の開口面は、真空ロウ付けにより接合されたことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記ヒートシンクベース本体に形成された冷却水用流路と前記配管ターミナルとの間を、パイプまたはジョイントにより接続したことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記冷却水用流路に、パイプを埋設したことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に交流を直流に変換するコンバータや直流を交流に変換するインバータなどの高圧電源で動作する電力変換装置あるいはサーボアンプなどに代表される、モータを駆動するモータ制御装置に関し、特にモータ制御装置の冷却能力を向上させるための水冷式ヒートシンクの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、交流を直流に変換するコンバータや直流を交流に変換するインバータなどの高圧電源で動作する電力変換装置、あるいはサーボアンプなどはモータを駆動する際のモータ制御装置に採用されている。
このモータ制御装置には、高熱を発するＩＧＢＴ素子等の半導体素子を含むパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールで発生した熱を冷却するために、パワーモジュールをヒートシンクに密着固定させたり、もしくはヒートシンクとヒートシンクの間に挿入する構造、または水冷式のヒートシンクを採用した場合にはヒートシンク内部に水路を設け、冷却水を通すことによりパワーモジュールを冷却する構造のものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
図３は従来および後述する本発明に共通な水冷式ヒートシンクを備えたモータ制御装置の内部を透視した図であって、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部を矢視Ａ方向から見た側面図である。
図３において、１は筐体、２はＤＣリアクトル、３は抵抗、４はＩＧＢＴ、５は整流ダイオード、６はジョイント、７はパイプ、８は配管ターミナル、２１は水冷式ヒートシンクである。筐体１内部にはＤＣリアクトル２、抵抗３、ＩＧＢＴ４、整流ダイオード５からなる発熱体を、水冷式ヒートシンク２１の上面に搭載した構成になっている。また、筐体１の側面には水冷式ヒートシンク２１の冷却水用流路に外部から冷却水を流通するための配管ターミナル８が設けられており、該冷却水用流路と配管ターミナル８の間を、パイプ７およびジョイント６により接続している。
次に、水冷式ヒートシンク２１の構造について、図４を用いて具体的に説明する。図４は従来の水冷式ヒートシンクの全体斜視図である。
図４において、２１は水冷式ヒートシンク、２２は冷却板、２３、２４は冷却水用流路となるパイプ、２５は半田付け部である。水冷式ヒートシンク２１は一方の伝熱面に直線状の流路と曲線状の流路を形成するように曲げ加工を施してなるパイプ２４を取付けている。パイプ２４の直線状の流路部分は円管状であるが、曲線状の流路部分を扁平状に加工してある。このパイプ２４の扁平部分を冷却板２２の表面と接触させた個所となる半田付け部２５を半田付けにより固定し、パイプ２４の先端に給排水用のパイプ２３を取付けるようになっている。それから、水冷式ヒートシンク２１の他方の伝熱面にはパワーモジュールなどの発熱素子を取付けるようになっている。
【特許文献１】特開２００３−１３４８２３号公報（明細書第３頁〜４頁、図１）
【特許文献２】特許第３３４８５５２号（明細書第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のモータ制御装置に用いる水冷式ヒートシンクは、冷却能力を向上させるために、ヒートシンクに取付けるパイプの曲げ加工を行って、その冷却水用流路の長さを確保し、冷却板との接触面積を増やすようにしている、しかしながら、パイプは寸法精度上ばらつきがあるため、パイプを冷却板に半田付けで取付ける際、冷却板とパイプの接触面積を一様に大きく取ることは難しく、半田付けの信頼性が低いという問題があった。
また、パイプの一部を扁平状にすることで冷却板との接触面積をさらに向上させて半田付けの信頼性を確保しているが、冷却板およびパイプの加工には共に製造上の高度なノウハウが必要となってくるため、加工に時間がかかり製造コストが高いという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、冷却能力を向上させると共に、冷却水用流路の長さ、冷却板との接触面積を増やすことを容易にかつ安価に行うことができるモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、筐体と、前記筐体内に収納され半導体素子を含むパワーモジュールと、前記パワーモジュールを搭載し、内部に直線状または曲線状の冷却水用流路を有する水冷式ヒートシンクと、前記筐体に配管されて前記水冷式ヒートシンクの冷却水用流路に外部から冷却水を流通するための配管ターミナルと、を備え、前記パワーモジュールの発生熱を前記ヒートシンクへ伝熱した後に前記冷却水により熱交換するようにしたモータ制御装置において、前記水冷式ヒートシンクは、前記パワーモジュールからの熱が伝わる第１の伝熱面を有する冷却板と、前記冷却板の第２の伝熱面と密着するように接合されると共に、内部を前記冷却水用流路が連通して形成されるように刳り抜き、前記第２の伝熱面と対向して前記冷却水用流路の一部を開口してなる開口面を有するヒートシンクベース本体と、より構成されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記冷却板の第２の伝熱面と前記ヒートシンクベース本体における流路の開口面は、真空ロウ付けにより接合されたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記ヒートシンクベース本体に形成された冷却水用流路と前記配管ターミナルとの間を、パイプまたはジョイントにより接続したことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記冷却水用流路に、パイプを埋設したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、水冷式ヒートシンクのベース本体内部を刳り抜いて冷却水用流路を設けることにより、冷却水を直接ベース本体に流すことができるため、水冷式ヒートシンクとパワーモジュール間の熱抵抗を小さくし、冷却能力を向上させることができる。
また、水冷式ヒートシンクのベース本体に直接冷却水用流路を設ける構成は、従来の曲げ加工されたパイプを冷却板上に取付ける構成に比べて、部品点数を削減することができることから重量も軽減することができる。また、寸法精度の問題を解消し、製造を容易にすることもできるため、全般的にコストを低減することができる。
請求項２に記載の発明によると、内部に冷却水流路を形成するヒートシンクベース本体と冷却板の対向する面同士をロウ付けにより接合する構成にしたため、従来のように冷却板の表面にパイプを半田付けで取付ける必要がなく、外形スペースを小さくすることができると共に、外観も単純化し衝撃、振動などの保護を容易にすることができる。
請求項３に記載の発明によると、冷却水用流路を冷却板と一体化にすることで、パイプまたはジョイントへの衝撃、振動に対する強度を向上させることができる。パイプを使用する場合には、パイプを直管形状で使用することができ製造を容易にすることができる。
請求項４に記載の発明によると、水冷式ヒートシンクの重量を軽量化したい場合、ヒートシンク本体を例えばアルミニウムのような軽量な材質で選定するが、水に対する耐食性が弱いことが懸念され、本体を構成する材料の腐食、冷却水漏れといった問題に発展しかねない。そうした場合、ヒートシンクベース本体の内部の冷却水用流路に耐食性の強い材質のパイプを使用することにより、上記に述べた本体を構成する材料の腐食、冷却水漏れといった問題を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例】
【０００７】
図１は本発明の実施例を示すモータ制御装置に搭載される水冷式ヒートシンクの全体斜視図、図２は図１の水冷式ヒートシンクの分解斜視図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じ点についてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１および図２において、１１は水冷式ヒートシンク、１２は冷却板、１２ａおよび１２ｂは伝熱面、１３はヒートシンクベース本体、１３ａは開口面、１４は冷却水用流路、１５はパイプである。
【０００８】
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、モータ制御装置に搭載される水冷式ヒートシンク１１は、ＩＧＢＴ（パワーモジュール）４からの熱が伝わる伝熱面１２ａを有する冷却板１２と、冷却板の伝熱面１２ａに対して反対側に位置する伝熱面１２ｂと密着するように接合されると共に、内部を冷却水用流路１４が連通して形成されるように刳り抜き、伝熱面１２ｂと対向して冷却水用流路１４の一部を開口してなる開口面１３ａを有するヒートシンクベース本体１３と、より構成されている点である。なお、冷却水用流路１４の先端部にはパイプ１５が接続されている。
また、冷却板１２の伝熱面１２ｂとヒートシンクベース本体１３の開口面１３ａは、真空ロウ付けにより接合されている。
また、ヒートシンクベース本体１３に形成された冷却水用流路１４と配管ターミナル８との間を、パイプ７とジョイント６により接続してある。
【０００９】
次に動作について、図１〜図３を用いて説明する。
図３の事例であげたモータ制御装置の使用時には、該装置が高圧電源で動作すると、特にＩＧＢＴ４で比較的大きな熱が発生する。その際、配管ターミナル８、パイプ７，１５を通じてヒートシンクベース本体１３内部に形成された冷却水用流路１４に外部から冷却水を循環送水する。これにより、ＩＧＢＴ４の発生熱は冷却板１２の伝熱面１２ａへ伝熱した後、冷却板１２の伝熱面１２ｂを通じて、該伝熱面１２ｂとロウ付けにより接合されたヒートシンクベース本体１３の開口面１３ａへ伝熱し、冷却水との熱交換で抜熱される。
【００１０】
本発明の実施例はこのように水冷式ヒートシンクのベース本体内部を刳り抜いて冷却水用流路を設けることにより、冷却水を直接ベース本体に流すことができるので、水冷式ヒートシンクとパワーモジュール間の熱抵抗を小さくし、冷却能力を向上させるという効果がある。
また、水冷式ヒートシンクのベース本体に直接冷却水用流路を設ける構成にしたので、従来の曲げ加工されたパイプを冷却板に取付ける構成に比べて、部品点数を削減することができることから、重量も軽減することができる。
また、寸法精度の問題を解消し、製造を容易にすることもできるので、全般的にコストを低減することができる。
また、内部に冷却水流路を形成するヒートシンクベース本体と冷却板の対向する面同士をロウ付けにより接合する構成にしたので、従来のように冷却板の表面にパイプを半田付けで取付ける必要がなく、外形スペースを小さくすることができると共に、外観も単純化し衝撃、振動などの保護を容易にすることができる。
【００１１】
なお、本実施例において、水冷式ヒートシンクの重量を軽量化したい場合、ヒートシンク本体を例えばアルミニウムのような軽量な材質で選定することになるが、水に対する耐食性が弱いことが懸念され、本体を構成する材料の腐食、冷却水漏れといった問題に発展しかねない。そうした場合、ヒートシンクベース本体の内部に形成した冷却水用流路に耐食性の強い材質のパイプを使用して埋設配管するなどの手段をとることにより、上記に述べた本体を構成する材料の腐食、冷却水漏れといった問題を解消することができる。但し、上記のようなパイプを用いる場合は、接触面積、寸法精度などを考慮して、使用するパイプの形状を全体的に扁平状あるいは直管形状にすると好ましく、その際、冷却水用流路にメッキ処理を施すこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例を示すモータ制御装置に搭載される水冷式ヒートシンクの全体斜視図
【図２】図１の水冷式ヒートシンクの分解斜視図
【図３】従来および後述する本発明に共通な水冷式ヒートシンクを備えたモータ制御装置の内部を透視した図であって、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部を矢視Ａ方向から見た側面図
【図４】従来の水冷式ヒートシンクの全体斜視図
【符号の説明】
【００１３】
１  筐体、
２  ＤＣリアクトル、
３  抵抗、
４  ＩＧＢＴ（パワーモジュール）、
５  整流ダイオード、
６  ジョイント、
７  パイプ、
８  配管ターミナル、
１１  水冷式ヒートシンク、
１２  冷却板
１２ａ  伝熱面、
１２ｂ  伝熱面（ロウ付け面）、
１３  ヒートシンクベース本体、
１３ａ  開口面（ロウ付け面）、
１４  冷却水用流路、
１５  パイプ
【図１】
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【図２】
2007135279.tif 000004
【図３】
2007135279.tif 000005
【図４】
2007135279.tif 000006